Linux環境進程間通信（二）: 信號（下）
一、信號生命週期
從信號發送到信號處理函數的執行完畢
對於一個完整的信號生命週期(從信號發送到相應的處理函數執行完畢)來說，可以分爲三個重要的階段，這三個階段由四個重要事件來刻畫：信號誕生；信號在進程中註冊完畢；信號在進程中的註銷完畢；信號處理函數執行完畢。相鄰兩個事件的時間間隔構成信號生命週期的一個階段。
下面闡述四個事件的實際意義：
- 信號"誕生"。信號的誕生指的是觸發信號的事件發生（如檢測到硬件異常、定時器超時以及調用信號發送函數kill()或sigqueue()等）。
- 信號在目標進程中"註冊"；進程的task_struct結構中有關於本進程中未決信號的數據成員：
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struct sigpending pending： struct sigpending{ struct sigqueue *head, **tail; sigset_t signal; }; |
第三個成員是進程中所有未決信號集，第一、第二個成員分別指向一個sigqueue類型的結構鏈（稱之爲"未決信號信息鏈"）的首尾，信息鏈中的每個sigqueue結構刻畫一個特定信號所攜帶的信息，並指向下一個sigqueue結構:
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struct sigqueue{ struct sigqueue *next; siginfo_t info; } |
信號在進程中註冊指的就是信號值加入到進程的未決信號集中（sigpending結構的第二個成員sigset_t signal），並且信號所攜帶的信息被保留到未決信號信息鏈的某個sigqueue結構中。只要信號在進程的未決信號集中，表明進程已經知道這些信號的存在，但還沒來得及處理，或者該信號被進程阻塞。
注：
當一個實時信號發送給一個進程時，不管該信號是否已經在進程中註冊，都會被再註冊一次，因此，信號不會丟失，因此，實時信號又叫做"可靠信號"。這意味着 同一個實時信號可以在同一個進程的未決信號信息鏈中佔有多個sigqueue結構（進程每收到一個實時信號，都會爲它分配一個結構來登記該信號信息，並把 該結構添加在未決信號鏈尾，即所有誕生的實時信號都會在目標進程中註冊）；
當一個非實時信號發送給一個進程時，如果該信號已經在進程中註冊，則該信號將被丟棄，造成信號丟失。因此，非實時信號又叫做"不可靠信號"。這意味着同一 個非實時信號在進程的未決信號信息鏈中，至多佔有一個sigqueue結構（一個非實時信號誕生後，（1）、如果發現相同的信號已經在目標結構中註冊，則不再註冊，對於進程來說，相當於不知道本次信號發生，信號丟失；（2）、如果進程的未決信號中沒有相同信號，則在進程中註冊自己）。
- 信號在進程中的註銷。在目標進程執行過程中，會檢測是否有信號等待處理（每次從系統空間返回到用戶空間時都做這樣的檢查）。如果 存在未決信號等待處理且該信號沒有被進程阻塞，則在運行相應的信號處理函數前，進程會把信號在未決信號鏈中佔有的結構卸掉。是否將信號從進程未決信號集中 刪除對於實時與非實時信號是不同的。對於非實時信號來說，由於在未決信號信息鏈中最多隻佔用一個sigqueue結構，因此該結構被釋放後，應該把信號在 進程未決信號集中刪除（信號註銷完畢）；而對於實時信號來說，可能在未決信號信息鏈中佔用多個sigqueue結構，因此應該針對佔用sigqueue結
構的數目區別對待：如果只佔用一個sigqueue結構（進程只收到該信號一次），則應該把信號在進程的未決信號集中刪除（信號註銷完畢）。否則，不應該 在進程的未決信號集中刪除該信號（信號註銷完畢）。
進程在執行信號相應處理函數之前，首先要把信號在進程中註銷。 - 信號生命終止。進程註銷信號後，立即執行相應的信號處理函數，執行完畢後，信號的本次發送對進程的影響徹底結束。
注：
1）信號註冊與否，與發送信號的函數（如kill()或sigqueue()等）以及信號安裝函數（signal()及 sigaction()）無關，只與信號值有關（信號值小於SIGRTMIN的信號最多隻註冊一次，信號值在SIGRTMIN及SIGRTMAX之間的信 號，只要被進程接收到就被註冊）。
2）在信號被註銷到相應的信號處理函數執行完畢這段時間內，如果進程又收到同一信號多次，則對實時信號來說，每一次都會在進程中註冊；而對於非實時信號來說，無論收到多少次信號，都會視爲只收到一個信號，只在進程中註冊一次。
- 防止不該丟失的信號丟失。如果對八中所提到的信號生命週期理解深刻的話，很容易知道信號會不會丟失，以及在哪裏丟失。
- 程序的可移植性
考慮到程序的可移植性，應該儘量採用POSIX信號函數，POSIX信號函數主要分爲兩類：- POSIX 1003.1信號函數： Kill()、sigaction()、sigaddset()、sigdelset()、sigemptyset()、sigfillset()、sigismember()、sigpending()、sigprocmask()、sigsuspend()。
- POSIX 1003.1b信號函數。POSIX 1003.1b在信號的實時性方面對POSIX 1003.1做了擴展，包括以下三個函數： sigqueue()、sigtimedwait()、sigwaitinfo()。 其中，sigqueue主要針對信號發送，而sigtimedwait及sigwaitinfo()主要用於取代sigsuspend()函數，後面有相應實例。
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#include <signal.h> int sigwaitinfo(sigset_t *set, siginfo_t *info). |
該函數與sigsuspend()類似，阻塞一個進程直到特定信號發生，但信號到來時不執行信號處理函數，而是返回信號值。因此爲了避免執行相應的信號處理函數，必須在調用該函數前，使進程屏蔽掉set指向的信號，因此調用該函數的典型代碼是：
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sigset_t newmask; int rcvd_sig; siginfo_t info; sigemptyset(&newmask); sigaddset(&newmask, SIGRTMIN); sigprocmask(SIG_BLOCK, &newmask, NULL); rcvd_sig = sigwaitinfo(&newmask, &info) if (rcvd_sig == -1) { .. } |
調用成功返回信號值，否則返回-1。sigtimedwait()功能相似，只不過增加了一個進程等待的時間。
- 程序的穩定性。
爲了增強程序的穩定性，在信號處理函數中應使用可重入函數。
信號處理程序中應當使用可再入（可重入）函數（注：所謂可重入函數是指一個可以被多個任務調用的過程，任務在調用時不必擔心數 據是否會出錯）。因爲進程在收到信號後，就將跳轉到信號處理函數去接着執行。如果信號處理函數中使用了不可重入函數，那麼信號處理函數可能會修改原來進程中不應該被修改的數據，這樣進程從信號處理函數中返回接着執行時，可能會出現不可預料的後果。不可再入函數在信號處理函數中被視爲不安全函數。
滿足下列條件的函數多數是不可再入的：（1）使用靜態的數據結構，如getlogin()，gmtime()，getgrgid()，getgrnam()，getpwuid()以及getpwnam()等等；（2）函數 實現時，調用了malloc（）或者free()函數；（3）實現時使用了標準I/O函數的。The Open Group視下列函數爲可再入的：
_exit（）、access（）、alarm（）、cfgetispeed（）、cfgetospeed（）、 cfsetispeed（）、cfsetospeed（）、chdir（）、chmod（）、chown（） 、close（）、creat（）、dup（）、dup2（）、execle（）、execve（）、fcntl（）、fork（）、 fpathconf（）、fstat（）、fsync（）、getegid（）、geteuid（）、getgid（）、getgroups（）、getpgrp（）、getpid（）、getppid（）、getuid（）、 kill（）、link（）、lseek（）、mkdir（）、mkfifo（）、 open（）、pathconf（）、pause（）、pipe（）、raise（）、read（）、rename（）、rmdir（）、setgid（）、setpgid（）、setsid（）、setuid（）、 sigaction（）、sigaddset（）、sigdelset（）、sigemptyset（）、sigfillset（）、 sigismember（）、signal（）、sigpending（）、sigprocmask（）、sigsuspend（）、sleep（）、 stat（）、sysconf（）、tcdrain（）、tcflow（）、tcflush（）、tcgetattr（）、tcgetpgrp（）、 tcsendbreak（）、tcsetattr（）、tcsetpgrp（）、time（）、times（）、umask（）、uname（）、unlink（）、utime（）、wait（）、waitpid（）、write（）。
即使信號處理函數使用的都是"安全函數"，同樣要注意進入處理函數時，首先要保存errno的值，結束時，再恢復原值。因爲， 信號處理過程中，errno值隨時可能被改變。另外，longjmp()以及siglongjmp()沒有被列爲可再入函數，因爲不能保證緊接着兩個函數的其它調用是安全的。
linux下的信號應用並沒有想象的那麼恐怖，程序員所要做的最多隻有三件事情：
- 安裝信號（推薦使用sigaction()）；
- 實現三參數信號處理函數，handler(int signal,struct siginfo *info, void *)；
- 發送信號，推薦使用sigqueue()。
實際上，對有些信號來說，只要安裝信號就足夠了（信號處理方式採用缺省或忽略）。其他可能要做的無非是與信號集相關的幾種操作。
實例一：信號發送及處理
實現一個信號接收程序sigreceive（其中信號安裝由sigaction（））。
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#include <signal.h> #include <sys/types.h> #include <unistd.h> void new_op(int,siginfo_t*,void*); int main(int argc,char**argv) { struct sigaction act; int sig; sig=atoi(argv[1]);
sigemptyset(&act.sa_mask); act.sa_flags=SA_SIGINFO; act.sa_sigaction=new_op;
if(sigaction(sig,&act,NULL) < 0) { printf("install sigal error\n"); }
while(1) { sleep(2); printf("wait for the signal\n"); } } void new_op(int signum,siginfo_t *info,void *myact) { printf("receive signal %d", signum); sleep(5); } |
說明，命令行參數爲信號值，後臺運行sigreceive signo &，可獲得該進程的ID，假設爲pid，然後再另一終端上運行kill -s signo pid驗證信號的發送接收及處理。同時，可驗證信號的排隊問題。
注：可以用sigqueue實現一個命令行信號發送程序sigqueuesend，見
附錄1。
實例二：信號傳遞附加信息
主要包括兩個實例：
- 向進程本身發送信號，並傳遞指針參數；
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#include <signal.h> #include <sys/types.h> #include <unistd.h> void new_op(int,siginfo_t*,void*); int main(int argc,char**argv) { struct sigaction act; union sigval mysigval; int i; int sig; pid_t pid; char data[10]; memset(data,0,sizeof(data)); for(i=0;i < 5;i++) data[i]='2'; mysigval.sival_ptr=data;
sig=atoi(argv[1]); pid=getpid();
sigemptyset(&act.sa_mask); act.sa_sigaction=new_op;//三參數信號處理函數 act.sa_flags=SA_SIGINFO;//信息傳遞開關 if(sigaction(sig,&act,NULL) < 0) { printf("install sigal error\n"); } while(1) { sleep(2); printf("wait for the signal\n"); sigqueue(pid,sig,mysigval);//向本進程發送信號，並傳遞附加信息 } } void new_op(int signum,siginfo_t *info,void *myact)//三參數信號處理函數的實現 { int i; for(i=0;i<10;i++) { printf("%c\n ",(*( (char*)((*info).si_ptr)+i))); } printf("handle signal %d over;",signum); } |
這個例子中，信號實現了附加信息的傳遞，信號究竟如何對這些信息進行處理則取決於具體的應用。
- 2、 不同進程間傳遞整型參數：把1中的信號發送和接收放在兩個程序中，並且在發送過程中傳遞整型參數。
信號接收程序：
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#include <signal.h> #include <sys/types.h> #include <unistd.h> void new_op(int,siginfo_t*,void*); int main(int argc,char**argv) { struct sigaction act; int sig; pid_t pid;
pid=getpid(); sig=atoi(argv[1]);
sigemptyset(&act.sa_mask); act.sa_sigaction=new_op; act.sa_flags=SA_SIGINFO; if(sigaction(sig,&act,NULL)<0) { printf("install sigal error\n"); } while(1) { sleep(2); printf("wait for the signal\n"); } } void new_op(int signum,siginfo_t *info,void *myact) { printf("the int value is %d \n",info->si_int); } |
信號發送程序：命令行第二個參數爲信號值，第三個參數爲接收進程ID。
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#include <signal.h> #include <sys/time.h> #include <unistd.h> #include <sys/types.h> main(int argc,char**argv) { pid_t pid; int signum; union sigval mysigval; signum=atoi(argv[1]); pid=(pid_t)atoi(argv[2]); mysigval.sival_int=8;//不代表具體含義，只用於說明問題 if(sigqueue(pid,signum,mysigval)==-1) printf("send error\n"); sleep(2); } |
注：實例2的兩個例子側重點在於用信號來傳遞信息，目前關於在linux下通過信號傳遞信息 的實例非常少，倒是Unix下有一些，但傳遞的基本上都是關於傳遞一個整數，傳遞指針的我還沒看到。我一直沒有實現不同進程間的指針傳遞（實際上更有意義），也許在實現方法上存在問題吧，請實現者email我。
實例三：信號阻塞及信號集操作
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#include "signal.h" #include "unistd.h" static void my_op(int); main() { sigset_t new_mask,old_mask,pending_mask; struct sigaction act; sigemptyset(&act.sa_mask); act.sa_flags=SA_SIGINFO; act.sa_sigaction=(void*)my_op; if(sigaction(SIGRTMIN+10,&act,NULL)) printf("install signal SIGRTMIN+10 error\n"); sigemptyset(&new_mask); sigaddset(&new_mask,SIGRTMIN+10); if(sigprocmask(SIG_BLOCK, &new_mask,&old_mask)) printf("block signal SIGRTMIN+10 error\n"); sleep(10); printf("now begin to get pending mask and unblock SIGRTMIN+10\n"); if(sigpending(&pending_mask)<0) printf("get pending mask error\n"); if(sigismember(&pending_mask,SIGRTMIN+10)) printf("signal SIGRTMIN+10 is pending\n"); if(sigprocmask(SIG_SETMASK,&old_mask,NULL)<0) printf("unblock signal error\n"); printf("signal unblocked\n"); sleep(10); } static void my_op(int signum) { printf("receive signal %d \n",signum); } |
編譯該程序，並以後臺方式運行。在另一終端向該進程發送信號(運行kill -s 42 pid，SIGRTMIN+10爲42)，查看結果可以看出幾個關鍵函數的運行機制，信號集相關操作比較簡單。
注：在上面幾個實例中，使用了printf()函數，只是作爲診斷工具，pringf()函數是不可重入的，不應在信號處理函數中使用。
系統地對linux信號機制進行分析、總結使我受益匪淺！感謝王小樂等網友的支持！
Comments and suggestions are greatly welcome!
用sigqueue實現的命令行信號發送程序sigqueuesend，命令行第二個參數是發送的信號值，第三個參數是接收該信號的進程ID，可以配合實例一使用：
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#include <signal.h> #include <sys/types.h> #include <unistd.h> int main(int argc,char**argv) { pid_t pid; int sig; sig=atoi(argv[1]); pid=atoi(argv[2]); sigqueue(pid,sig,NULL); sleep(2); } |
- linux內核源代碼情景分析（上），毛德操、胡希明著，浙江大學出版社，當要驗證某個結論、想法時，最好的參考資料；
- UNIX環境高級編程，作者：W.Richard Stevens，譯者：尤晉元等，機械工業出版社。對信號機制的發展過程闡述的比較詳細。
- signal、sigaction、kill等手冊，最直接而可靠的參考資料。
- http://www.linuxjournal.com/modules.php?op=modload&name=NS-help&file=man提供了許多系統調用、庫函數等的在線指南。
- http://www.opengroup.org/onlinepubs/007904975/可以在這裏對許多關鍵函數（包括系統調用）進行查詢，非常好的一個網址。
- http://unix.org/whitepapers/reentrant.html對函數可重入進行了闡述。
- http://www.uccs.edu/~compsvcs/doc-cdrom/DOCS/HTML/APS33DTE/DOCU_006.HTM對實時信號給出了相當好的描述。
鄭彥興，國防科大攻讀博士學位。聯繫方式： [email protected].